梅溪湖城市岛-基于BIM的施工测绘精密化应用

 

项目概况

梅溪湖城市岛总用地面积约为2万平方米,呈长方形,为地面平整的人工岛屿,由1座双螺旋体景观构筑物、1座服务中心及屋顶观景平台、1座人行天桥、1座入岛桥和室外广场组成,涵括高档住宅、超五星级酒店、5A级写字楼、酒店式公寓、文化艺术中心、科技创新中心等众多顶级业态,城市岛定位为公共开敞空间。

梅溪湖城市岛实现整个环道的顺利对接合龙,岛上的标志性构筑物双螺旋观景平台,高约34米、直径约80米,两条相互环绕螺旋上升的步道采用三角支撑架结构的构筑物曲线通道,象征着城市的发展与自然环境相融合,成为生态之城和繁荣之城。

双螺旋观景平台主要是由空间双曲弯扭构件组成,两条螺旋形的曲线通道采用三角支撑架结构的构筑物曲线通道,连接着一列密集的柱廊。项目包含由6米宽坡道构成的人行通道,螺旋通往约30米的高处,站在螺旋的顶端,人们能欣赏到梅溪湖以及周边共约40公顷的规划新区全景风貌。

与螺旋形景观构筑物相连处,往西延伸有约800米长的人行天桥,桥墩为变截面混凝土斜柱结构,桥跨结构为倒三角形立体桁架和倒三角形立体桁架加单榀索拱结构。服务中心及屋顶观景平台为钢筋混凝土框架结构,入岛桥为长约22米的多跨梁板结构。

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项目难点

梅溪湖城市岛项目钢结构在设计上形式独特,结构新颖,且对拼装精度控制、安装精度控制以及安装过程监测精度要求高,特别是结构的地面拼装、安装精度。如何将空间三维结构安装到设计的空间位置,控制过程极为复杂,是该项目的测量重难点之一。

此外,钢结构测量控制网是整个测量工作得以开展的基础。该项目施工范围广,施工测量控制区域大、面广,施工过程中整体平面布局变化较大。施工控制网布设的合理性、测量控制点的建立与维护,直接影响整个测量施工的成果。

而且该项目主体为纯钢结构建筑,总用钢量约7000吨,为目前世界上最大的双螺旋钢结构建筑。其复杂奇异的造型主要是由330块大小、形状完全不同的环道单元 和32根斜柱构成,这给项目施工带来很大难度,对施工精度控制非常高,要求施工过程中反复调验、监测。

同时,该项目结构复杂,构件数目多且比较大,如何消除构件在吊装过程中因自重产生的变形、因温差造成的缩胀变形、因焊接产生收缩变形等造成的误差累积,也是钢结构施工测量需重点考虑的问题。

另外,该项目钢材材质主要为Q345B,现场焊接作业内容包括:现场地面拼装焊接、高空安装焊接,其中双螺旋体观景平台现场焊接对接形式主要有钢柱对接焊、三角环道对接焊等。钢柱对接焊截面大、环道高空对接焊焊缝长、柱顶板厚最大达90mm为本工程重难点。

 

解决方案

一、BIM与全站仪校核的集成

采用“BIM+智能型全站仪”测量控制技术进行重点控制。因双螺旋体造型中设计有许多重要构件为变截面或异型曲面,其倾斜角度及定位在高空安装现场很难计算准确,必须依靠BIM技术利用计算机建立三维实体模型,配合使用Autodesk BIM 360系列软件来计算和获取测量所需的精确数据,配合智能型全站仪进行定位测量,大大提高了测量精度和测量控制的速度。

基于BIM的异型钢结构放样主要分为三个步骤,即在模型中导出点位数据、将数据导入至仪器和现场测量校核。

其中在模型中导出点位数据与BIM技术的关联较为密切,需要利用Autodesk Point Layout插件在BIM模型中布置控制点及需校核的点位,输出为.txt的格式,直接导入仪器中,既可以保障校核点位的准确性,又可以减少人工输入数据的偶然误差,保证校核数据的严谨性和科学性。

该项目钢结构属于大截面空间弯扭结构,结合项目异型钢结构的安装流程,对其复核的重点为:

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二、BIM+测绘施工

为提高工作效率,保障工程进度,湖南建工BIM中心在该项目采用基于BIM模型TOPCON LN-100自动放样机器人,对海量点位数据进行放样及校核。基于BIM的空间放样定位目前在国内应用较少,且软件操作流程不够完善。

  1. 湖南建工BIM中心完成了基于BIM的TOPCON LN-100放样软件流程的探索。
    a. 在Autodesk Revit打开模型。
    b. 打开DWG模型,点击New UCS,输入项目现场已知的两个控制点坐标发布世界坐标系。
    c. 选择控制点:点击Control Pts在模型找到控制点位置进行设置。
    d. 放置放样点:点击Manual,根据项目测量控制方案,在模型中选择放样点。
    e. 将放样点放置好的模型另存为DWG图形。
    f. 登录Autodesk BIM 360 Glue界面,创建新的项目文件。
    g. 打开项目文件,点击Upload models,上传模型。
    h. 登录IPAD中的Autodesk BIM 360 LAYOUT下载模型。
    j. 打开下载好的模型,连接测绘仪器LN-100即可进行现场测梅溪湖城市岛-基于BIM的施工测绘精密化应用-BIMBANK
  2. 基于BIM的异型钢结构放样主要分为三个步骤,即布设控制网、设置放样点位和现场测量放样。
    a. 布设控制网

首先,利用自动照准全站仪校核三个一级控制点。将误差平均分布到首级控制点,在基坑周边布置首级控制网。然后根据BIM模型在螺旋体及人行天桥周边分别布置二级控制网。最后采取内控、外控结合法分别将三级控制点布置在BIM模型上,构成三级控制网。

b.设置放样点位

基于BIM的自动放样机器人在现场放样之前,需要利用Autodesk Point Layout插件在BIM模型中布置测设点位,具体操作如下:

首先,输入已知两个点的坐标,发布该项目的世界坐标系。然后根据实际在BIM模型中创建控制点,结合现场施工要求进行放样点的选取,最后将放样点模型通过BIM 360 Glue上传,利用iPad中的Autodesk BIM 360 Layout进行下载。
c. 现场测量放样

双螺旋体构筑物造型复杂,应遵循“先承重结构后悬挑结构”和“关键部位重点控制”的测量控制原则。根据工程空中定位测量控制难度大、精度要求高等特点,首先需要遵循“先承重结构后悬挑结构”的测量控制原则,先从32根斜立柱开始定位安装,再分别螺旋状顺时针定位安装内环道及逆时针定位安装外环道。其次需要关键部位进行重点控制,以确保整个钢结构空中定位测量控制的精度,保障钢结构的安装质量。

现场实际操作中,将仪器搭设于测站点,棱镜搭设于后视点,然后将自动放样机器人与iPad连接,设置测站。测站完成后,根据iPad中BIM模型找到现场所需的放样点即可方便快捷的完成放样。

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三、测量实施

  1. 建立测量控制网(基于TOPCON DS-102AC自动测量机器人)

建立轴线基准点组→建立高程水准点组→建立三级平面控制网

  1. 安装测量(基于TOPCON LN-100三维放样机器人)
    a. 螺旋体:预埋件安装测量→钢柱安装测量→步道地面拼装测量→步道安装测量
    b. 人行天桥:预埋件安装测量→支座安装测量→人行天桥桁架和环道地面拼装测量→人行天桥桁架和环道分段拼装测量
  2. 安装校核(基于TOPCON DS-102AC自动测量机器人)
    a. 螺旋体:预埋件安装校核→钢柱安装校核→步道地面拼装校核→步道安装校核
    b. 人行天桥:预埋件安装校核→支座安装校核→人行天桥桁架和环道地面拼装校核→人行天桥桁架和环道分段拼装校核
  3. 安装变形测量控制(基于TOPCON DS-102AC自动测量机器人)

安装监测→胎架卸载后测控

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项目亮点

一、螺旋体及人行天桥结构测量原则

1、严格遵守湖南建工BIM中心专业课题申领制度中基于BIM的施工测绘精密化应用的相关要求。

2、严格执行测量规范,遵守先整体后局部的工作流程,先确定平面控制网,后以控制网为依据,进行各局部轴线的定位放线。

3、严格审核Autodesk Revit模型的准确性,坚持测量放线与Autodesk Revit模型同步校核的工作方法。

二、精确测量+全面复核

合理布置测量控制网,保证各控制点间同时闭合良好;根据首级控制网布设二级控制网,复测后布设三级平面控制网;分不同施工阶段调整控制网,保证各施工阶段测量控制网精确、有效;施工过程中做好控制点的标识与保护,定期地对控制点进行复测。

将自动照准全站仪架设到视野开阔、平整且能够便于大面积观测的平面上(三级控制点)。螺旋体内环道吊装就位经过采取临时措施进行固定后,逐一复核各复核点,本工程采用自动照准全站仪的免棱镜功能及配合常规棱镜两种方法进行复核。

选择合理的施工吊装顺序;根据拟定的施工方案、分段及施工顺序做好计算机施工仿真分析,按照分析结果对桁架杆件做预起拱;做好安装后(焊前)结构测量,根据测量数据编制合理焊接作业指导书,通过调整焊接顺序控制焊接收缩变形引起的误差;选择合理的结构合拢点及合拢时间。

  1. 在普通测量基础上,湖南建工BIM中心以Autodesk Revit模型为基础,投入TOPCON自动照准WinCE智能全站仪TOPCON DS-102AC和TOPCON LN-100三维放样机器人对施工过程中各重要过程进行监控与复测,着重控制拼装过程中节点相对位置精度,保证桁架的地面拼装精度;同时,计算桁架预拱值,在桁架拼装上提前考虑变形情况,在高空安装时实现整体精度控制。
  2. 校正斜立柱垂直度,在斜立柱柱顶双向中轴线距离柱边100mm处用阳冲打点作为控制点,将激光反射片粘贴于控制点上,在Autodesk BIM 360 Layout软件中设置点位并输出其三维坐标值(X,Y,Z)。柱子吊装到位后,将自动照准WinCE智能全站仪架设到视野开阔、平整且能够便于大面积观测的平面上,利用其免棱镜测量功能逐一测设各点,直到柱子设计坐标值与仪器所测坐标相吻合。钢柱安装垂直度允许偏差不应大于H/1000且≤±10mm。

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斜立柱三维定位及测量校正

 

  1. 在iPad上选中BIM模型中需放样的点,智能型全站仪会自动跟踪棱镜的坐标,棱镜的位置显示在BIM模型中并提示棱镜与放样点的坐标(X,Y,Z)差值,根据提示移动棱镜直至坐标差值为零,则此时棱镜的位置就是需要放样点的位置。

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移动端操作界面

三、BIM+智能型全站仪的项目价值分析

BIM是一个建筑设施物理和功能特征的数字表达,是工程项目设施实体和功能特征的完整描述。它基于三维几何数据模型,集成了建筑设施其他相关物理信息、功能要求和性能要求等参数化信息,并通过开放式标准实现信息的互用。“BIM+智能型全站仪”测量技术,通过使用BIM模型所包含的点位数据进行定位放样,采集实际建造数据更新BIM模型,采用实际建造数据与BIM模型对比分析进行施工验收,把BIM模型带入施工现场。

梅溪湖城市岛双螺旋体异型钢结构采用“BIM+智能型全站仪”测量技术,确保了各构件的节点安装在空间定位±5mm的预定精度,是的顶部钢结构最后安装合龙时,其定位测量控制到最后的闭合差仅为5mm,最终顺利完成了所有钢构件的空中安装对接,形成了受力稳定的双螺旋体异型钢结构。

  1. 确保测量精度
    智能型全站仪精度较普通全站仪要高,减少仪器本身误差对精度的影响;“BIM+智能型全站仪”测量技术结合BIM模型所包含的点位数据进行放样,三维坐标差值在移动端实时显示,有效降低测量施工中的人为误差,安装精度控制在5mm以内。
  2. 提高测量效率
    “BIM+智能型全站仪”放样测量相对于传统放样方法人员投入3~4人要少一半,只需1~2人即可,放样速度在200~250放样点/工作日(大面积放样),节省人工50%,节省工期20%以上。
  3. 降低安全隐患
    钢结构安装作业属于高空作业,使用自动照准WinCE智能全站仪配合激光反射片进行测量校核,减少了人工高空作业时间,有利于保证人员安全,减少事故发生的可能性。
  4. 提升BIM应用价值
    “BIM+智能型全站仪”测量技术可以最大可能地把人从施工现场繁重的劳动中解脱出来,并得到精度较高的数据。以后必将沿着数字化、一体化、自动化、信息化的道路进行,其发展趋势将是与云技术进一步集成,通过云技术的的使用可以使用网络进行移动终端和云端数据同步,使BIM测量放样数据下载到移动终端和实际测量放样数据上传至云端更加快捷;与项目质量管控进一步融合,使质量控制和模型修正无缝地融入原有工作流程中,提升BIM应用价值。

“BIM+智能型全站仪”测量技术适用于异型钢结构、超高层、深基坑、复杂机电管线、幕墙、桥梁、隧道、城市轨道交通等工程。该技术方便可靠,确保了测量精度,又提高了测量效率;既降低了安全隐患,又提升了BIM应用价值;同时还为解决复杂异型钢结构空中安装定位测量控制难的问题提供了新的思路,为今后类似工程施工提供了借鉴。

 

 

项目心得

一、BIM与自动测量机器人集成应用的核心价值

目前,BIM与自动测量机器人集成应用包括基础工作、土建复核、施工测量、放样验收4个阶段。并具有如下三点核心价值:

  1. 将现场测绘得到的实际建造结构信息与模型汇总的数据对比,核对现场与模型之间的偏差,为机电、精装、幕墙等专业的深化设计提供依据。
  2. 结合施工现场轴线网、控制点及标高控制线,将设计成果高效快速的标定到施工现场,实现精确的施工放样,为施工员提供更加准确、直观的施工指导,提高测量放样效率。
  3. 在施工完成后,对现场实物进行实测实量,通过将实测数据与设计数据进行对比来检测施工质量是否符合要求,保证工程施工质量。

二、BIM与自动测量机器人集成应用研究攻关方向

BIM与自动测量机器人集成应用的研究攻关方向将围绕以上三点核心价值开展工作,从基础的Autodesk Revit建模开始,至施工现场进行自动放样实际操作,再升华至现场测绘得到的实际建造结构信息与模型汇总的数据对比,系统的研究软硬件的兼容性、放样精度分析(实测实量)、多专业数据共享、提高测量放样效率等方面。

配备国内先进的TOPCON DS100、TOPCON LN100测量机器人,与BIM模型结合,对钢结构空间精密放样定位、异形结构校核等测绘领域进行攻关,确保施工精度,提高测量工作效率,完善测绘体系。

 

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